700 MW機組直流鍋爐摻燒低灰熔點煤試驗優(yōu)化研究

魏建宏，李文成，趙 越，蒙 毅，譚增強

（1.江西贛能股份有限公司豐城二期發(fā)電廠，江西 豐城 331104；2.西安西熱鍋爐環(huán)保工程有限公司，陜西 西安 710054）

0 前言

江西省煤炭資源匱乏，隨著經(jīng)濟發(fā)展水平的提高，省內(nèi)火電廠煤炭資源供應日益緊缺。受限于煤炭市場運力、煤炭價格波動及環(huán)保達標要求等諸多因素的影響，火電廠只能采取燃用混煤替代設(shè)計煤種的措施來維持正常的電力生產(chǎn)[1-2]。隨著我國當前最長的重載煤運專線-浩吉鐵路的開通，陜西省內(nèi)大量的低灰熔點煤進入了江西電煤市場[3-4]，由于陜西煤價格和供應能力都具有較大競爭力，江西省內(nèi)多家電廠都增加了陜煤的摻燒比例，該類煤種熱值穩(wěn)定、發(fā)熱量高、燃盡性能優(yōu)、低硫低灰低磷、環(huán)保適應性好，但其灰熔點較低，多分布于1 150℃左右，屬于嚴重結(jié)渣的煤種[5-6]，在鍋爐燃燒過程中普遍存在受熱面積灰和結(jié)渣現(xiàn)象，不能實現(xiàn)大比例安全摻燒[7-8]，省內(nèi)個別電廠還出現(xiàn)了因鍋爐嚴重結(jié)焦造成機組非停的情況。豐城二期發(fā)電廠在摻燒過程中也多次出現(xiàn)鍋爐掉焦導致?lián)圃鼨C滿渣，被迫降負荷進行事故排渣的情況，給鍋爐安全穩(wěn)定運行帶來較大影響，嚴重限制了低灰熔點煤摻燒比例的提升，未能獲得顯著的經(jīng)濟效益。因此為了提高低灰熔點煤的適應性，該研究針對700 MW機組直流鍋爐開展制粉系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整試驗[9]、燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗[10]及低灰熔點煤摻燒試驗[11-12]，通過現(xiàn)場試驗考察摻燒過程對鍋爐設(shè)備安全運行以及經(jīng)濟性的影響，最大程度提高低灰熔點煤的摻燒比例，進一步提升摻燒帶來的經(jīng)濟性。

1 研究對象

江西豐城二期發(fā)電廠2×700 MW超臨界機組鍋爐由上海鍋爐有限公司設(shè)計制造，鍋爐型號為SG2102/25.4-M959。鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運行直流爐，單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)Π型爐。原出廠時銘牌出力為660 MW，通過實際運行、試驗論證后銘牌出力改為700 MW。鍋爐設(shè)計煤種為淮南煙煤，灰熔點為1 450℃。制粉系統(tǒng)為冷一次風機、正壓直吹式制粉系統(tǒng)。燃燒器共設(shè)置六層煤粉噴嘴，配6臺ZGM113G型中速輥式磨煤機，燃燒方式采用擺動式四角切圓燃燒技術(shù)，煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動式燃燒器。該次試驗主要針對5號鍋爐開展摻燒試驗。

2 研究內(nèi)容

2.1 燃煤特性分析

我國低灰熔點煙煤（ST≤1 250℃）在我國所占比例大約在30%左右，如表1所示。據(jù)不完全統(tǒng)計我國越50%以上的大容量機組都燃用低灰熔點煙煤，其中低灰熔點煙煤可分為高鐵、低鈣型煙煤如大同煙煤，高鐵、高鈣型煙煤如神華煤，高鐵、高鈣、高堿型煙煤如新疆準東煤。

表1 我國不同類別煤的灰熔融溫度分布范圍

文中主要分析以神華煤作為典型陜西地區(qū)低灰熔點煤的進行燃煤特性分析，主要從燃燒特性和結(jié)渣特性兩方面進行分析。

2.1.1 燃燒特性

熱天平熱重分析燃燒曲線顯示如圖1所示，神華煤的燃燒特性介于我國典型的褐煤與典型的煙煤（大同優(yōu)混煤）之間，其燃燒曲線主要參數(shù)見表2。

表2 神華等煤燃燒曲線主要參數(shù)

圖1 神華煤與典型煙/褐煤燃燒曲線的比較

可見，在相同時間和溫度條件下，神華煤燃燒掉的可燃物要較其它兩種煤多。因此神華煤在燃燒初期，因為其發(fā)熱量較高的碳的活化能較低而迅速著火燃燒，并放出大量的熱量，使得神華煤火焰集中于燃燒器區(qū)，并出現(xiàn)“尖峰”溫度，造成燃燒器取得結(jié)渣。

綜上所述，神華煤的比表面積較大（內(nèi)水較高反映出的特點）、煤的反應活化能低、反應性能好，促進了神華煤的著火與燃燒。神華煤著火溫度低、燃盡特性好，明顯優(yōu)于同類煙煤。

2.1.2 結(jié)渣特性

1）神華煤結(jié)渣特性對比

神華煤及其動力煤結(jié)渣指數(shù)Sc見圖2，可見所有神華煤（活雞兔、補連塔、大柳塔和上灣）無論灰熔點ST高低，其結(jié)渣指數(shù)Sc均達到1以上，結(jié)渣傾向遠高于列出的國內(nèi)其它煤種。

圖2 神華煤結(jié)渣特性及其它煤的對比

2）神華煤具有典型的短渣特性

神華煤灰熔融特征溫度相差極?。―T：1 160℃、ST：12 10℃、FT：1 220℃），具有典型的短渣特性。圖3為神華煤的粘溫特性曲線，該結(jié)果也反映神華煤的嚴重結(jié)渣傾向。

圖3 神華煤灰渣粘度特性

表3為一維火焰結(jié)渣試驗結(jié)果，可見其渣型對溫度極為敏感。因此控制燃燒溫度對預防神華煤結(jié)渣十分重要。

表3 神華煤結(jié)渣試驗結(jié)果（一維火焰爐）

3）神華煤渣密度大、硬度高，具有較重的危害性

采用1 MW半工業(yè)燃燒試驗臺所得渣型與實際鍋爐中渣型進行對比，結(jié)果見圖4、圖5所示?？梢娚袢A煤在試驗爐上形成的渣型與現(xiàn)場情況基本一致。

圖4 1 MW試驗臺神華煤渣型圖

圖5 某電廠神華煤渣型圖

表4列出的試驗室、現(xiàn)場渣樣密度、硬度等指標均表明神華煤渣密度大、硬度高，極易砸壞水冷壁、或造成碎渣系統(tǒng)以及輸渣系統(tǒng)故障，具有較重的危害性。

表4 現(xiàn)場與試驗室神華煤渣樣的對比

綜上所述可知：神華煤具有結(jié)渣特性強、短渣特性，渣型對溫度敏感，同時神華煤渣體現(xiàn)出密度大、硬度高特征。

2.2 現(xiàn)場優(yōu)化調(diào)整試驗

2.2.1 制粉系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整試驗

1）一次風速測量與調(diào)平

磨煤機四根粉管一次風速偏差對燃燒有重要影響，尤其是對爐內(nèi)結(jié)渣影響顯著，一次風速較均勻有助于防止煤粉刷墻。在磨煤機通風量穩(wěn)定時，利用測風元件按照等截面圓環(huán)法在各磨煤機出口的4根一次風管上測量出各風管風速，計算出同層4根一次風管的風速偏差。之后通過調(diào)節(jié)各臺磨煤機出口一次風管上的可調(diào)縮孔，完成了風速偏差較大B、D煤機一次風速調(diào)平，尤其是B2、B3粉管風速偏差超過10%，調(diào)整后所有一次風管的風速偏差均小于±5%。

2）一次風量標定

一次風量顯示的準確性關(guān)系到風煤比的控制，即一次風速的合理控制，對煤粉細度、爐內(nèi)燃燒有重要影響，因此試驗過程中對六臺磨煤機的入磨一次風量進行了標定。通過實測一次風量和表盤風量進行了對比分析，除B磨以外其它磨煤機通風量實際值與表盤值相比偏大，尤其是C磨和D磨平均風量標定系數(shù)偏差超過了5%，熱工人員依據(jù)試驗獲得的風量標定系數(shù)對一次風量進行修正。

3）煤粉細度測試

為掌握磨煤機煤粉細度情況，在磨煤機習慣性出力下利用煤粉取樣裝置按照等截面圓環(huán)法在磨煤機出口4根一次風管上進行煤粉取樣，首先對各臺磨煤機進行煤粉細度摸底測量。在磨煤機80%設(shè)計出力運行時，A、C、D、F磨煤機煤粉略微偏粗（設(shè)計值R90=25%），A磨煤機R90值為27.24%；C磨煤機為25.92%；D磨煤機為27.8%；F磨煤機為35.08%。BE磨煤機R90值分別為23%和23.32%，滿足煤粉細度設(shè)計要求。

4）分離器特性試驗

為了降低火焰刷墻的幾率、安全燃用低灰熔點煤，并保證機組在深度調(diào)峰期間煤粉具有良好著火、燃盡特性，有必要進一步降低煤粉細度R90不超過20%。較細煤粉細度有利于緩解爐內(nèi)結(jié)渣，針對煤粉細度不合格的磨煤機進行分離器特性試驗，調(diào)整分離器頻率測試煤粉細度值。通過磨煤機分離器頻率相應提高，各磨煤粉細度R90基本可以控制在20%以下，同時煤粉均勻性n>1.1，均勻性整體較好。

2.2.2 燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗

1）運行氧量調(diào)整試驗

氧量是鍋爐運行控制的重要參數(shù)，氧量充足，煤粉燃盡率高，NOx生成濃度高，風機電耗高；氧量偏低，爐內(nèi)還原性氣氛增多，不利于煤粉燃盡，加重爐膛結(jié)渣和尾部積灰。550 MW電負荷下，運行氧量由2.9%→3.4%→3.9%，鍋爐效率分別為92.53%、93.10%、93.19%，主要是因為低氧運行時未燃碳熱損失和CO引起熱損失明顯高于其他兩個工況，當運行氧量提高至3.5%時，爐內(nèi)還原性氣氛明顯下降，鍋爐效率基本不變。NOx生成濃度分別為262 mg/m3、282 mg/m3、317 mg/m3，共 增 加 了55 mg/m3。排 煙CO濃 度 由906 ppm降至18 ppm。變氧量過程中，尤其是低氧運行時爐內(nèi)整體還原性氣氛較強，不利于緩解爐內(nèi)結(jié)渣。

2）一次風壓試驗

一次風量是鍋爐運行的重要參數(shù)，一方面對磨煤機阻力、煤粉細度、管道磨損、煤粉沉積有影響，另一方面對爐內(nèi)煤粉著火、燃盡也有影響。500 MW負荷下一次風壓由9.5 kPa降至9.0 kPa時，鍋爐效率從93.47%增加至94.02%，主要是因為未燃碳熱損失顯著下降引起的，爐渣含碳量明顯下降，污染物NOx生成濃度由257 mg/m3降至248 mg/m3，排煙CO濃度由115 ppm升至198 ppm。

3）二次風配風方式試驗

二次風輔助風采用不同的配風方式，會對爐膛火焰中心位置、NOx生成濃度、汽水溫度、煙氣溫度等產(chǎn)生影響。目前各層二次風習慣開度普遍較為適中。在660 MW負荷下進行二次風配風方式試驗，對比不同配風方式（均等配風、正塔配風、縮腰配風）下鍋爐運行參數(shù)進行測試。三種配風方式下，均等配風的鍋爐效率最高為93.26%，正塔配風次之，縮腰配風鍋爐效率最低為92.69%，主要表現(xiàn)為縮腰配風的未燃碳熱損失和CO引起的熱損失高于其他兩種配風，均等配風的經(jīng)濟性最好，縮腰配風方式的排煙溫度最高；在均等配風和正塔配風方式下NOx生成量分別為305 mg/m3、307 mg/m3，基本保持不變，當采用縮腰配風時，NOx生成濃度最低為285 mg/m3，排煙CO濃度為440 ppm（最高），說明該配風方式爐膛內(nèi)存在缺氧燃燒區(qū)域；縮腰配風方式下，分隔屏區(qū)域、高再入口、出口爐膛煙溫明顯高于其他配風方式，正塔配風時，從左至右沿整個屏區(qū)溫度偏差逐步加大，同時縮腰配風方式整個屏區(qū)煙溫最高。綜合分析，推薦采用均等配風方式。

4）SOFA風門開度試驗

對于四角切圓燃燒鍋爐而言，燃盡風主要有兩方面作用，一是反切消旋，調(diào)整鍋爐兩側(cè)煙溫、汽溫偏差。二是實現(xiàn)爐內(nèi)分級燃燒，降低NOx生成量。燃盡風風門調(diào)整在660 MW負荷下進行，5號鍋爐燃盡風共五層，維持總風量保持不變，改變SOFA進風量，測試、觀察、記錄鍋爐整體運行情況。隨著燃盡風門開大，助燃燃燒器區(qū)域進風量下降，飛灰和爐渣含碳量升高（尤其是爐渣含碳量增加明顯）；通過調(diào)整燃盡風開度，NOx生成濃度變化不大，基本維持在300~330 mg/m3水平；關(guān)小SOFA2和SOFA3，降低燃盡風順時針消旋能力，煙溫偏差由84℃降至24℃，有助于緩解高再出口煙溫偏差過高的現(xiàn)象。

5）磨組合方式試驗

磨組合方式主要在負荷500 MW下進行，分析不同的磨組合方式對汽水參數(shù)、風煙參數(shù)、NOx生成濃度等參數(shù)影響。BCDE四臺磨運行時鍋爐效率為94.02%，BCDEF五臺磨運行時鍋爐效率為93.10%，測試結(jié)果顯示四臺磨運行時經(jīng)濟性明顯好于五臺磨，鍋爐主蒸汽溫度、壓力，再熱蒸汽溫度、壓力均能夠達到設(shè)計值。四臺磨組合方式下污染物NOx生成濃度下降了40 mg/m3，噴氨量下降了23.7 kg/h，主要是由于四臺磨運行時一次風率占比更少、整個還原區(qū)增長所引起的。從爐膛溫度分布來看，四臺磨運行時火焰更集中在燃燒器區(qū)域，五臺磨運行時，爐膛溫度更加均勻、靠爐膛上部。

2.2.3 低灰熔點煤摻燒試驗

1）入爐煤煤質(zhì)

根據(jù)電廠實際情況，該次試驗采用分磨摻燒方式燃用低灰熔點煤。低灰熔點煤主要陜北地區(qū)低硫低灰高熱值煤（神華煤、小保當煤）為主，高灰熔點煤主要以神華混煤、中煤華中煤（中等熱值）和尚一礦煤（低熱值煤）為主，尚一煤以低熱值高硫高灰煤為主。摻燒的煤質(zhì)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 試驗期間入爐煤煤質(zhì)

摻燒試驗分為第一階段試驗（5號機組高負荷摻燒3臺低灰熔點煤），第二階段試驗（高負荷摻燒4臺低灰熔點煤）。

2）摻燒三臺磨試驗

針對5號機組制粉系統(tǒng)優(yōu)化和燃燒調(diào)整試驗完成后，逐步提高低灰熔點煤比例，（由兩臺低灰熔點煤增加至三臺），從經(jīng)濟性、安全性、和環(huán)保性分析對比機組的運行參數(shù)如表6所示。

表6 摻燒前后運行參數(shù)對比分析

由上表運行參數(shù)分析可知：

（1）兩臺磨摻燒期間，中高負荷下?lián)綗壤秊?8%；三臺磨摻燒期間，中高負荷下?lián)綗壤?5%，提高了17%左右。

（2）摻燒前后主蒸汽溫度、再熱蒸汽溫度基本不變，接近設(shè)計值；過熱器一級減溫水量增加2.0/1.0 t/h，過熱器二級減溫水量增加0.03/0.75 t/h，再熱器減溫水量增加0.65/0.74 t/h，整體略有增加。

（3）對比摻燒前后的各個區(qū)域受熱面壁溫變化，螺旋管出口壁溫基本不變，直管段出口壁溫下降2℃（4℃），后屏過熱器出口壁溫基本不變，末級過熱器出口壁溫增加1℃，末級再熱器出口壁溫基本不變，提高低灰熔點煤比例后，各受熱面壁溫基本保持不變，未出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

（4）爐膛出口煙溫的變化，摻燒前爐膛出口煙溫A/B最大值為824/798℃，提高比例后爐膛出口煙溫A/B最大值為841/808℃，分別增長了17/10℃，這是由于隨著低灰熔點煤比例提高，爐膛內(nèi)結(jié)渣略微增加引起的，定期投運吹灰器，煙溫處于可控狀態(tài)。

（5）排煙溫度分別增加了3.0/3.7℃，飛灰含碳量升高0.76%，爐渣含碳量降低0.4%，鍋爐熱效率由93.43%提高至93.52%。

（6）撈渣機系統(tǒng)壓力分別為6.16（9.31）MPa、6.27（9.53）MPa，增加了0.11（0.22）MPa，基本保持不變。

（7）污染物NOx生成濃度分別為241/246 mg/m3、274/290 mg/m3，主要是因為三臺磨摻燒期間，高負荷六臺磨運行時間長，NOx調(diào)整降低手段有限。原煙氣SO2濃度分別為1 920 mg/m3、1 918 mg/m3，基本保持不變。

3）摻燒四臺磨試驗

5號機組已完成三臺磨煤機摻燒低灰熔點煤試驗后，經(jīng)分析各個運行參數(shù)，具備進一步提高低灰熔點煤試驗條件，在5號機組F磨再增加一臺低灰熔點煤，試驗時間為9 h。試驗期間平均負荷為680 MW，負荷率為97.1%，爐膛出口最高煙溫864℃，高過出口壁溫596℃，末再出口汽溫為596℃，受熱面結(jié)焦程度較三臺低灰熔點煤明顯加重，但通過加投運吹灰器能夠有效清除，渣塊細小疏松、渣量較大。

2.2.4 摻燒經(jīng)濟性分析

摻燒試驗針對不同比例下的經(jīng)濟性進行分析，主要包括：三臺磨510 MW工況、700 MW工況，四臺磨700 MW工況，試驗參數(shù)如表7所示。

表7 不同摻燒比例下經(jīng)濟性分析

根據(jù)上表不同摻燒比例的測試結(jié)果可知：

中負荷60%比例下鍋爐效率為94.07%，滿負荷50%比例下鍋爐效率為93.15%，高負荷66.7%比例下鍋爐效率為93.70%；滿負荷運行時，主要由于運行氧量偏低，未燃碳熱損失和CO引起的熱損失增加使得鍋爐效率低于設(shè)計值。

不同摻燒比例下，主蒸汽溫度、壓力，再熱蒸汽溫度、壓力均能達到設(shè)計值。工況T1、T2、T3的過熱器一級減溫水量分別為31.5/34.6 t/h、48.4/58.7 t/h、10.3/61.7 t/h，再熱器減溫水量分別為5.5/7.7 t/h、5.5/0 t/h、22/20 t/h，根據(jù)減溫水投運情況，隨著低灰熔點煤比例的增加，減溫水量逐步增大，位置后移。

污染物NOx濃度基本維持在230~260 mg/m3，滿負荷運行時排煙CO濃度超過1 000 ppm，在中高負荷下排煙CO濃度維持在較低水平。

3 結(jié)語

根據(jù)該次開展的燃煤特性分析、制粉系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整試驗、燃燒調(diào)整優(yōu)化試驗及低灰熔點煤摻燒試驗，綜合評價了機組摻燒低灰熔點煤運行的經(jīng)濟性、安全性與環(huán)保性，形成如下結(jié)論：

1）制粉系統(tǒng)一次風速調(diào)平后，每臺磨四根粉管一次風速偏差調(diào)整在±5%以內(nèi)，調(diào)整分離器頻率后煤粉細度R90值控制在20%以下，滿足燃燒要求；

2）通過燃燒調(diào)整優(yōu)化試驗，鍋爐效率接近設(shè)計值。飛灰、爐渣含碳量<2.0%，煤粉燃盡優(yōu)良，CO排煙濃度低，同時污染物NOx濃度控制在260 mg/m3左右；

3）在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，低灰熔點煤（神華低灰熔點煤、小保當煤與曹家灘煤）摻燒比例不超過66.7%是可行的，試驗期間機組高負荷率下，爐膛出口煙溫可控制在830℃以下；

4）摻燒試驗期間，主蒸汽溫度、壓力，再熱蒸汽溫度、壓力能夠達到設(shè)計值。過熱器一級、二級減溫水量留有調(diào)節(jié)裕度。